QUIMICA BIOLOGICA Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas

1. QUIMICA BIOLOGICALic. y Prof. en Ciencias Biológicas • BOLILLA 3: -.Metabolismo. Principales nutrientes de autótrofos y heterótrofos. Catabolismo. Anabolismo. Metabolismo de Carbohidratos en los distintos organismos: Animales y Vegetales. Digestión y absorción. Sistema digestivo en individuos heterótrofos. Digestión en rumiantes: celulasa. Estructuras especializadas. Distribución de glucosa en una célula animal y una célula vegetal. Degradación de glucosa: glicólisis. Localización celular. Etapas. Producción de energía. Regulación. Balance energético en condiciones de anaerobiosis. Destino del piruvato. Fermentaciones. Efecto Pasteur. Degradación de otras hexosas. • BOLILLA 4: Destino del piruvato en condiciones aeróbicas. Complejo de la piruvato deshidrogenasa Ciclo de Krebs. Localización celular. Balance energético del ciclo. Regulación. Reacciones anapleróticas según el tipo de célula o tejido. Naturaleza anfibólica del ciclo. Sistemas de lanzaderas: lanzadera del glicerofosfato y lanzadera del malato-aspartato. Balance energético de la degradación de glucosa en condiciones de aerobiosis. Ciclo del glioxilato. Localización. Importancia. Vía de las pentosas. Localización. Importancia metabólica. • BOLILLA 5: Biosíntesis de carbohidratos. Gluconeogénesis. Etapas. Regulación. Costo energético. Ciclos fútiles. Biosíntesis del glucógeno. Regulación coordinada entre la degradación y la síntesis del glucógeno. Costo energético. Biosíntesis de almidón. Síntesis fotosintética de glúcidos. Reacciones de fijación y reducción fotosintética del carbono, ciclo de Calvin. Regulación. Fotorrespiración y ruta C4. Biosíntesis de almidón, sacarosa y celulosa en vegetales.

2. H2O H2O M E T A B O L I S M O Energía para la vida Heterótrofos Autótrofos Fotosintéticos ¿Cómo? ¿Cómo?

3. METABOLISMO INTERMEDIO Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células y tejidos.

4. CO2 • H2O • Iones de nitrógeno • Elementos Minerales Nutrientes Autótrofos • Carbohidratos • Lípidos • Proteínas • Vitaminas • Minerales Heterótrofos Nutrientes Sentido biológico del metabolismo 1- Obtener energía y poder reductor a partir de los nutrientes. 2- Degradar los compuestos ingeridos con los alimentos, o los de reserva, en productos más simples, utilizables como precursores para la síntesis de moléculas constituyentes de órganos y tejidos y otras sustancias necesarias para su funcionamiento.

5. Almidón Nutrición y Metabolismo en Vegetales

6. Extraída de: www. botanica.cnba.uba.ar Extraida de www.semilla.cyta.com.ar/ Reservas de almidón en vegetales Extraida de: elprofedebiolo.blogspot.com/.../organelas.html

7. Hojas, tallos y raices CRECIMIENTO ALMIDON GERMINACION Endospermo Utilización del Almidón en los Vegetales

8. Germinación en cereales Cubierta seminal Capa de aleurona Activación del embrión. Liberación de giberelinas 1 4 Inducción de genes por las giberelinas en la capa de aleurona. 2 Endospermo 3 3 Producción y liberación de enzimas hidrolíticos. Enzimas Acción de las enzimas sobre los materiales de reserva del endospermo. 4 5 Nutrientes 5 2 Liberación de nutrientes (monosacáridos) 6 Absorción de nutrientes por el embrión. Giberelinas Cotiledón 6 Coleoptilo Ápice caulinar Embrión 1 Eje hipocótilo/ radícula Ápice radical

9. Almidón Amilosa Amilopectina

10. α-1,6 α-1,6 α-1,6 α-1,4 α-1,4 Amilopectina

11. CO2 + H2O ATP ALMIDON Glucosa Sacarosa (escutelo) Extraida de www.semilla.cyta.com.ar/ Raíz Tallo Sacarosa Glucosa + Fructosa ATP CO2 + H2O Síntesis de sustancias Utilización del Almidón en los Vegetales

12. Enzimas desramificantes β-amilasa β-amilasa H H G G G G G G G G G G H H G G G G G G G G G G G G G G HO HO HO HO G G G G G G G G G G Almidón fosforilasa Almidón fosforilasa 4 Enzimas desramificantes 1 Extremo no reductor 4 1 α-amilasa • Principales enzimas que catalizan la degradación de almidón a glucosa: • α-amilasa • β-amilasa • Almidón fosforilasa • Enzimas desramificantes Extremo no reductor

13. Amilosa α-Amilasa β-amilasa Amilopectina n α-Maltosas n H2O y n β-maltosas Hidrólisis del Almidón en vegetales Dextrinas límite

14. Amilosa Almidón fosforilasa Amilopectina n H2PO4- n Glu-1-P Fosforólisis del Almidón

15. Maltasa + H2O H2O Maltosa Glucosa Enzima desramificante + restos de amilosa H Glucosa H Dextrinas límite

16. CO2 + H2O ATP ALMIDON Glucosa Sacarosa (escutelo) Extraida de www.semilla.cyta.com.ar/ Raíz Tallo Sacarosa Glucosa + Fructosa ATP CO2 + H2O Síntesis de sustancias Utilización del Almidón en los Vegetales

17. H2O pH 7,5 Invertasa alcalina Citosol pH 5 Invertasa ácida Vacuolas y pared celular Invertasa + Sacarosa Glucosa Fructosa

18. Carbohidratos • Lípidos • Proteínas • Vitaminas • Minerales Heterótrofos Nutrientes Nutrición y Metabolismo en Animales Heterótrofos • Digestión.Conversión de los alimentos en sustancias absorbibles en el tracto intestinal. Implica el desdoblamiento mecánico (ej. masticación) y químico (ej. enzimático) de los alimentos, en moléculas absorbibles. • Absorción de nutrientes. Pasaje del producto de la digestión desde la luz intestinal a la circulación. • Metabolización. Utilización de los nutrientes para obtención de energía y/o para la síntesis de compuestos celulares.

19. - Almidón granos, harinas, tubérculos, legumbres Polisacáridos - Glucógeno carnes - Sacarosa frutas, azúcar de mesa, remolacha Disacáridos Carbohidratos de la dieta - Lactosa Leche y derivados • Carbohidratos • Lípidos • Proteínas • Vitaminas • Minerales - Glucosa frutas, miel, golosinas, etc. Monosacáridos Heterótrofos - Fructosa Nutrientes Carbohidratos - Galactosa

20. Intestino Esófago Ano Buche Faringe Boca Buche Esófago Intestino Recto Ano Mandíbula Estómago Esófago Intestino Recto Boca Ano Sistema Digestivo en distintos individuos heterótrofos

21. Ptialina o Amilasa salival pH ácido, inactiva la enzima • Amilasa pancreática • Isomaltasa • maltasa-glucoamilasa • sacarasa • lactasa Digestión y absorción de carbohidratos

22. Amilosa Amilasa salival Amilopectina o Glucógeno n Maltosas n H2O Digestión del Almidón y/o del Glucógeno n Maltotriosas n Oligosacáridos

23. Amilasa pancreática Oligosacáridos Maltosas Maltotriosas Digestión del Almidón (cont.)

24. Maltasa 2 H2O H2O H2O Glucosa Maltosa Lactasa + Lactosa Glucosa Galactosa Sacarasa + Sacarosa Glucosa Fructosa Disacaridasas

25. Microorganismos fermentadores de celulosa Retículum Idem retículum. El bolo alimenticio es regurgitado a la boca. Esófago Rumen El alimento fermentado y los microorganismos son concentrados por reabsorción de agua. Omasum Abomasum HCl y proteasas Proceso digestivo en los rumiantes herbívoros

26. Celulosa Celulasa n H2O n Celobiosa

27. Nutrición y Metabolismo en Animales • Digestión.Conversión de los alimentos en sustancias absorbibles en el tracto intestinal. Implica el desdoblamiento, mecánico y químico de los alimentos, en moléculas absorbibles. • Absorción de nutrientes. Pasaje del producto de la digestión desde la luz intestinal a la circulación. • Metabolización. Utilización de los nutrientes para obtención de energía y/o para la síntesis de compuestos celulares.

28. Estructuras especializadas en absorción Lombriz Tiburón Humano

29. ¿Cómo llegan las unidades de monosacáridos a los tejidos donde serán metabolizados?

30. GLUT5 Fructosa Fructosa Glucosa Glucosa SGLUT Extraída y modificada del Lehninger, 4a. Ed, ¿Cómo llegan las unidades de monosacáridos a los tejidos donde serán metabolizados? Galactosa Galactosa

31. Nutrición y Metabolismo en Animales • Digestión.Conversión de los alimentos en sustancias absorbibles en el tracto intestinal. Implica el desdoblamiento, mecánico y químico de los alimentos, en moléculas absorbibles. • Absorción de nutrientes. Pasaje del producto de la digestión desde la luz intestinal a la circulación. • Metabolización. Utilización de los nutrientes para obtención de energía y/o para la síntesis de compuestos celulares.

32. Sentido biológico del metabolismo 1- Obtener energía y poder reductor a partir de los nutrientes. 2- Degradar compuestos ingeridos con los alimentos, o los de reserva, en productos más simples, utilizables como precursores para la síntesis de moléculas constituyentes de órganos y tejidos y otras sustancias necesarias para su funcionamiento. DEGRADACION SINTESIS

33. Estructuras complejas DG DEGRADACION SINTESIS Estructuras simples Metabolismo Catabolismo Anabolismo

34. Productos finales carentes de Energía CO2 H2O NH3 VIAS CATABOLICAS (Degradación oxidativa) NADH NADPH FADH2 ATP Energía Química Macromoléculas Celulares Polisacáridos Lípidos Proteínas Ácidos Nucleicos VIAS ANABOLICAS (Síntesis reductora) Nutrientes Contenedores de Energía Carbohidratos Lípidos Proteínas NAD+ NADP+ FAD ADP+HPO42- Moléculas Precursoras Monosacáridos Ácidos grasos Aminoácidos Bases nitrogenadas

35. a b c d B C D E p P Q Vías Ciclos a b c d A B C D E f e S P S a A B A a d B M N D Cascadas b X Y c C Esquemas de distintos tipos de secuencias metabólicas A

36. Vías catabólicas convergentes Vías anabólicas divergentes

37. Equilibrio dinámico Catabolismo Anabolismo

38. Crecimiento Catabolismo Anabolismo

39. Envejecimiento Anabolismo Catabolismo

40. GLUT5 Fructosa Fructosa Glucosa Glucosa SGLUT Extraída y modificada del Lehninger, 4a. Ed, ¿Cómo llegan las unidades de monosacáridos a los tejidos donde serán metabolizados? Galactosa Galactosa

41. 3- La Glu es liberada al interior celular y la proteína transportadora retorna a su conformación original. 2- La proteína transportadora cambia su conformación. 1- La Glu se une a un sitio del transportador abierto. Transportadores de Glucosa (uniporters)

42. ¿En qué difieren estos transportadores? - En la afinidad por la GLU. GLUT4> GLUT3> GLUT1> GLUT2 - La alta afinidad por Glu de GLUT4 y GLUT3 asegura la provisión de Glu a corazón y tej. nervioso. - Cuando los niveles de Glu en sangre aumentan (periodo postprandial) se activa la incorporación de Glu al hígado, por un lado, y a las células beta del páncreas, a través de los GLUT2 y se estimula la liberación de Insulina. - Esta, a su vez, promueve la movilización de los GLUT4 desde las vesículas intracelulares del tej. adiposo y músculo esquelético hacia la membrana plasmática para incorporar Glu a estos tejidos.

43. ¿Cómo funcionan lo transportadores GLUT4?

44. Otros tejidos como por ej. tej. nervioso O2 Esquema general del metabolismo de carbohidratos Ciclo de Cori O2

45. Fosforilación de la glucosa La fosforilación es el paso inicial de todas las vías de utilización de monosacáridos, en animales y vegetales. Impide la difusión de la Glu hacia el exterior celular y asegura su utilización en alguna de las vías metabólicas celulares según el requerimiento celular. * La glucosa es fosforilada en el carbono 6 • En distintas proporciones según el tejido. • Son inespecificas. • Km Glu = 0.01-0.1 mM Isoenzimas I, II, III Hexoquinasas • En hígado y células beta del páncreas. • Es muy especifica, solo D-Glucosa. • Km Glu = >10 mM. Isoenzima IV o Glucoquinasa

46. Glucógeno Glucógeno-génesis Glucosa-6-fosfatasa Via de las Pentosas Glucosa Ribosa-5-P Via Glicolitica Piruvato Destinos metabólicos de la glucosa en una célula hepática GLUCOSA-6-P

47. Almidón Sacarosa Via de las Pentosas Ribosa-5-P Via Glicolitica Piruvato Destinos metabólicos de la glucosa en una célula vegetal GLUCOSA-6-P

48. Vía Glicolítica • FASE I. (Reacciones 1-5). Fase preparatoria en que la glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato. Este proceso consume 2 ATPs. • FASE II (Reacciones 6-10). Las dos moléculas anteriormente formadasse convierten a dos moléculas de piruvato, con la producción de 4 ATPs y 2 NADH. • Universal. • Todos los intermediarios fosforilados. • No requiere O2 Citosol celular

49. Bibliografía 1- BLANCO A., “Química Biológica”, Ed. El Ateneo, 8a edic., Bs. As. (2007). 2- LEHNINGER, A.L., "Principios de Bioquímica", Ed. Omega, 4ª ed. (2008). 3- LIM M.Y., “ Lo esencial en Metabolismo y Nutrición”, Ed. Elsevier, 3ra. ed., Barcelona (2010). Bibliografía Complementaria 1- CAMPBELL Y FARREL, “Bioquimica”, Thomson Eds., 4ta. Ed., (2005). 2- DONALD NICHOLSON, International Union of Biochemistry & Molecular Biology (IUBMB), IUBMB-Nicholson Metabolic Maps, Minimaps & Animaps. Department of Biochemistry and Microbiology, The University, Leeds, England. (http://www.iubmb-nicholson.org). 3- SALISBURY Y ROSS, “Fisiología vegetal”, Grupo Ed. Iberoamericana, (1994). 4- HILL, WYSE Y ANDERSON, “Fisiología animal”, Ed. Med. Panamericana,(2006), Madrid, España.